金屬材料焊接工藝 第3版 教案 13 低碳低合金調(diào)制鋼的焊接

授課教案首頁學(xué)年第學(xué)期機械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實踐□理實一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評價□其他活動□課時安排2課時序號13授課日期月日月日月日月日授課班級教學(xué)內(nèi)容：3、低碳低合金調(diào)制鋼的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識目標(biāo)：1、了解低碳調(diào)制鋼的成分特點2、了解低碳調(diào)制鋼的焊接性能力目標(biāo)：掌握低碳調(diào)制鋼的焊接工藝要點素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會交往能力重點難點及解決方法：要求學(xué)生熟悉低碳調(diào)制鋼的焊接工藝要點。授課地點：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評價方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：5．低碳調(diào)質(zhì)鋼的成分和性能有何特點？6．簡述低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝要點。課后小結(jié)：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應(yīng)與授課計劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．復(fù)習(xí)引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問20分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容屈服點大于490MPa的高強鋼必須采用調(diào)質(zhì)處理，通過組織強化獲得很高的綜合力學(xué)性能。低碳調(diào)質(zhì)鋼屬于熱處理強化鋼。這類鋼既有較高的強度，又有良好的塑性和韌性，在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益廣泛。能力知識點1低碳調(diào)質(zhì)鋼的成分與性能為了保證良好的綜合性能和焊接性，低碳調(diào)質(zhì)鋼要求鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.22%（實際上一般wc≤0.18%），此外添加一些合金元素如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，目的是為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩(wěn)定性。這類鋼由于含碳量低，淬火后得到低碳馬氏體，而且會發(fā)生“自回火”，脆性小，具有良好的焊接性。部分低碳調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3-10和3-11。（教材P43和P44）抗拉強度600Mpa、700MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼（HQ60、HQ70）主要用于工程機械、動力設(shè)備、交通運輸機械和橋梁等，這類鋼可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊后不再進行調(diào)質(zhì)處理，必要時可進行消除應(yīng)力處理?？估瓘姸?00MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼如14MnMoNbB、HQ80和HQ80C也在工程中獲得廣泛應(yīng)用。為了改善野外施工焊接條件和提高低溫韌性，開發(fā)了一種含碳極低（wc≤0.09%）的調(diào)質(zhì)鋼，即焊接無裂紋鋼（簡稱CF鋼），焊接時采用超低氫焊接材料，在板厚50mm以下或在0℃都可焊前不預(yù)熱。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段能力知識點2低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性低碳調(diào)質(zhì)鋼主要是作為高強度的焊接結(jié)構(gòu)用鋼，因此其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制得較低，在合金成分的設(shè)計上也考慮了焊接性的要求。低碳調(diào)質(zhì)鋼是熱處理強化鋼，是通過調(diào)質(zhì)處理獲得強化效果的，因此焊接時在熱影響區(qū)內(nèi)除會發(fā)生脆化外還有軟化問題，在選擇焊接材料時應(yīng)著重考慮。一、焊接裂紋1．焊接熱裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼一般含碳量都較低，而含Mn量較高，且對S、P的限制也較嚴(yán)格，因此焊縫金屬的結(jié)晶裂紋傾向較小。但對一些高Ni低Mn類型的低合金高強鋼來講，由于Ni的作用會增加結(jié)晶裂紋傾向，但只要選擇合適的焊接材料，提高焊縫金屬的含Mn量，就可以避免產(chǎn)生這種裂紋。2．焊接冷裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼在嚴(yán)格控制焊縫擴散氫含量的情況下，對冷裂紋不敏感。一般焊縫組織為馬氏體或貝氏體。馬氏體雖然屬于淬火組織，但由于含碳量低，仍保持了較高的韌性；而且這類鋼的Ms點比較高（400℃），如果焊接時控制在Ms點附近的冷卻速度比較低，馬氏體形成后可以進行一次“自回火”過程，使韌性得到改善，因此可以避免產(chǎn)生冷裂紋。低碳調(diào)質(zhì)鋼對擴散氫比較敏感，如果焊縫中擴散氫含量較多時，冷裂紋敏感性還是相當(dāng)高的。因此，焊接時必須選用低氫或超低氫焊接材料，并嚴(yán)格控制焊接區(qū)氫的來源。3．消除應(yīng)力裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼中大都含有Cr、Ni、Mo、V、Nb、B等提高消除應(yīng)力裂紋敏感性的元素，其中影響最大的是V，其次是Mo，二者共存時情況更嚴(yán)重。一般認(rèn)為Mo-V系的鋼，特別是Cr-Mo-V系的鋼對消除應(yīng)力裂紋最敏感；Mo-B和Cr-Mo系的鋼也有一定的敏感性。但不同成分的鋼對該裂紋的敏感溫度范圍有所差別，焊接時可通過一定的工藝措施，如控制預(yù)熱和后熱溫度、降低消除應(yīng)力退火溫度等，來防止消除應(yīng)力裂紋的發(fā)生。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段二、熱影響區(qū)性能變化1、熱影響區(qū)脆化低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)脆化的原因和規(guī)律與熱軋及正火鋼都不同。這類鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的組織是低碳馬氏體或下貝氏體，都有較高的韌性，因此產(chǎn)生正常的淬火組織不是引起脆化的原因。典型低碳調(diào)質(zhì)鋼連續(xù)冷卻曲線如圖3-2所示，可以看出奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變大大推遲，當(dāng)冷卻速度較低時，會形成由鐵素體F、高碳馬氏體M和高碳貝氏體B組成的混合組織，這種混合組織是過熱區(qū)嚴(yán)重脆化的主要原因。2．熱影響區(qū)軟化熱影響區(qū)軟化是指其強度和硬度下降的現(xiàn)象，是焊接調(diào)質(zhì)鋼時普遍存在的問題。熱影響區(qū)內(nèi)凡是加熱溫度高于母材回火溫度至Ac1的區(qū)域，由于組織轉(zhuǎn)變及碳化物的沉淀和聚集長大引起軟化，而且溫度越接近Ac1的區(qū)域，軟化越嚴(yán)重，如圖3-3所示。鋼材的強度級別越高，焊前母材強化程度越大（母材調(diào)質(zhì)處理的回火溫度越低），焊后熱影響區(qū)的軟化越嚴(yán)重。低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的軟化是由母材的強化特性決定的，只能通過一定的工藝措施來防止。軟化區(qū)的寬度和軟化程度與焊接方法和熱輸入有很大關(guān)系，低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時不宜采用大的焊接熱輸入和較高的預(yù)熱溫度。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段圖圖3-3調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的硬度分布A-焊前淬火+低溫回火B(yǎng)-焊前淬火+高溫回火C-焊前退火1-淬火區(qū)2-部分淬火區(qū)3-回火區(qū)能力知識點3低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝要點低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時要注意兩個基本問題：一是要求在馬氏體轉(zhuǎn)變時的速度不能太快，使馬氏體能夠發(fā)生“自回火”過程，以免產(chǎn)生冷裂紋；二是要使熱影響區(qū)在800～500℃之間的冷卻速度大于產(chǎn)生脆性混合組織的臨界冷卻速度。這兩個問題是制定低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接工藝的主要依據(jù)。1．焊前準(zhǔn)備對于屈服點大于600MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，接頭形式盡量采用對接接頭，坡口以U形或V形為好,為減小應(yīng)力還可采用雙U形或雙V形坡口。低碳調(diào)質(zhì)鋼可以用氣割方法切割坡口，但割縫邊緣有硬化層，應(yīng)通過加熱或機械加工消除。板厚小于100mm時，切割前不需預(yù)熱；板厚大于100mm時，應(yīng)進行100～150℃的預(yù)熱。強度級別較高的鋼，應(yīng)盡量采用機械切割或等離子切割方法，以減小硬化層。2．焊接方法低碳調(diào)質(zhì)鋼在焊接時需要解決的問題：一是防止裂紋；二是在保證獲得高強度的同時，提高焊縫金屬和熱影響區(qū)的韌性。屈服點σs≥980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時，需要采用鎢極氬弧焊或真空電子束焊才能獲得毛滿足要求的焊接接頭；對于屈服點σs＜980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊和鎢極氬弧焊等焊接方法都可以采用，但對屈服點σs≥686MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，熔化極氣體保護焊（如Ar+CO2混合氣體保護焊）是最合適的焊接方法。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段3．焊接材料：低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接材料的選擇原則是“等強匹配”或“低強匹配”，任何情況下都不可選擇“超強匹配”。不同強度級別的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接材料的選用見表3-12。鋼種焊條電弧焊埋弧焊氣體保護焊焊絲焊劑焊絲保護氣14MnMoVNE7015-D2E7015-GH08Mn2NiMoAH08Mn2NiMoVAHJ250HJ350H08Mn2SiAH08Mn2MoACO2或Ar+CO214MnMoNbBE7015-D2E7015-GE7515-GE8015-GH08Mn2MoAH08Mn2Ni2CrMoAHJ350H08Mn2MoAH08MnNi2MoCO2或Ar+CO2HQ80E8015-GE7515-G--H08MnNi2MoAER110CO2或Ar+CO2(20%)HQ100E9015-GE1005-G--H08MnNi2CrMoAAr+CO2(5%～20%)4．焊接參數(shù)（1）焊接熱輸入：從防止熱影響區(qū)脆化出發(fā)，要求冷卻速度較快為好；而從防止冷裂來講，要求冷卻速度越慢越好，因此確定冷卻速度應(yīng)該兼顧兩者的要求，選擇一個合適的范圍，上限要不產(chǎn)生冷裂，下限要不產(chǎn)生引起脆化的混合組織，如圖3-2中的陰影區(qū)域是既能得到良好韌性，又能保證不產(chǎn)生冷裂的冷卻速度范圍。選擇焊接熱輸入的原則是：在保證不出現(xiàn)裂紋和滿足熱影響區(qū)韌性的條件下，應(yīng)選擇盡可能大的焊接熱輸入。例如，HQ70鋼焊接時的預(yù)熱溫度和最大焊接熱輸入見表3-13。鋼種板厚/mm預(yù)熱溫度/℃道間溫度/℃焊接熱輸入/kJ·cm-1焊條電弧焊氣體保護焊埋弧焊HQ706～13502550≤150≤2513～2675～1005050～75≤200≤4526～5012575100≤220≤48HQ80C6～13505050≤150≤2513～2675～10050～7575～100≤200≤4526～50125100125≤220≤48填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段（2）預(yù)熱和后熱溫度低碳調(diào)質(zhì)鋼在板厚不大、接頭拘束度較小的情況下焊接時可以不預(yù)熱。但當(dāng)焊接熱輸入提高到最大允許值還不能避免裂紋時，就必須采取預(yù)熱措施。一般采用較低的預(yù)熱溫度（T0≤200℃）。預(yù)熱主要為降低馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度，使馬氏體能實現(xiàn)“自回火”來提高抗裂性能。預(yù)熱溫度過高，不僅對防止冷裂沒有必要，反而會使800～500℃的冷卻速度低于出現(xiàn)脆性混合組織的臨界冷卻速度，使熱影響區(qū)韌性下降。所以要避免不必要的提高預(yù)熱溫度，也包括道間溫度。兩種低碳調(diào)質(zhì)鋼的最低預(yù)熱溫度和道間溫度見表3-14。低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接結(jié)構(gòu)一般是在焊態(tài)下使用，正常情況下不進行焊后熱處理。除非焊后接頭區(qū)強度和韌性過低、結(jié)構(gòu)要求耐應(yīng)力腐蝕以及焊后需要進行高精度加工來保證結(jié)構(gòu)尺寸等，才進行焊后熱處理。為了保證材料的強度性能，焊后熱處理溫度必須比母材原調(diào)質(zhì)處理的回火溫度低30℃。板厚/mm14MnMoVN14MnMoNbB＜13--13～1650～100100～15016～19100～150150～0019～22100～150150～20022～25150～200200～25025～35150～200200～250能力知識點4典型鋼WCF62的焊接工藝要點WCF62鋼是在940℃水淬+630℃回火調(diào)制狀態(tài)下進行加工和焊接的。為了保證母材性能在制造過程中不下降，不允許采用熱彎、熱卷成形，矯正的加熱溫度不得超過焊前回火溫度。焊接方法一般用焊條電弧焊、CO2或（Ar+CO2）氣體保護電弧焊。焊條選用E6015–G型，如J607RH等。焊條烘焙溫度400℃×1h，烘后應(yīng)立即放入低溫干燥保溫桶內(nèi)，隨用隨取。焊條在保溫桶內(nèi)存放的時間不應(yīng)超過4h。烘后焊條允許在大氣中放置的時間按生產(chǎn)廠家的規(guī)定。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段氣體保護焊焊絲為Mn-Si-Mo系或Mn-Ni-Mo系焊絲。保護氣體的純度及含水量應(yīng)嚴(yán)加控制，CO2氣體應(yīng)符合GB/T6052-1993中規(guī)定的Ⅰ級或Ⅱ級1類氣體的要求。焊接熱輸入對熱影響區(qū)的韌性有明顯的影響，熱輸入上升，韌性下降。最佳熱輸入為17～25kJ/cm，允許熱輸入為10～40kJ/cm。預(yù)熱溫度與擴散氫[H]有關(guān)，當(dāng)焊條經(jīng)400℃烘干，[H]＜2mL/100g時可不進行預(yù)熱。板厚較大或母材的CE（或Pcm）偏高時，應(yīng)進行50℃的預(yù)熱。一般情況下，焊后不需進行熱處